物理浙江专版人教版选修32讲义第五章 第4节 变压器.docx
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物理浙江专版人教版选修32讲义第五章第4节变压器
第4节变__压__器
变压器的原理 电压与匝数的关系
[探新知·基础练]
1.变压器
(1)构造:
由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成。
①原线圈:
与交流电源连接的线圈;
②副线圈:
与负载连接的线圈。
(2)变压器的工作原理:
变压器工作的基础是互感现象,电流通过原线圈时在铁芯中激发的磁场不仅穿过原线圈,也同时穿过副线圈,由于电流的大小、方向在不断变化,铁芯中的磁场也在不断变化,变化的磁场在副线圈中产生感应电动势。
(3)作用:
改变交变电流的电压,不改变交变电流的周期和频率。
(4)原、副线圈的作用
①原线圈在其所处回路中充当负载;
②副线圈在其所处回路中充当电源。
2.电压与匝数的关系
(1)理想变压器:
没有能量损失的变压器。
(2)电压与匝数的关系:
理想变压器原、副线圈的电压之比,等于两个线圈的匝数之比,即:
=。
(3)两类变压器:
副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器;副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。
[辨是非](对的划“√”,错的划“×”)
1.变压器只能改变交变电流的电压,不能改变直流电的电压。
( )
2.实际生活中,不存在原线圈与副线圈匝数相等的变压器。
( )
3.理想变压器可以改变交变电流的频率。
( )
4.电流通过铁芯从原线圈流到副线圈。
( )
答案:
1.√ 2.√ 3.× 4.×
[释疑难·对点练]
1.理想变压器的特点
(1)变压器铁芯内无漏磁。
(2)原、副线圈不计内阻,即不产生焦耳热。
2.电动势关系
由于互感现象,且没有漏磁,原、副线圈中每一匝线圈都具有相同的,根据法拉第电磁感应定律有E1=n1,E2=n2,所以=。
3.电压关系
由于不计原、副线圈的电阻,因此原线圈两端的电压U1=E1,副线圈两端的电压U2=E2,所以=。
4.探究理想变压器电压与匝数的关系过程
(1)多用电表交流电压挡量程选择及读数:
要先估计被测电压的大致范围,再选择恰当的量程,若不知道被测电压的大致范围,则应选择交流电的最大量程进行测量。
(2)可拆变压器的组装:
把两个线圈穿在铁芯上,闭合铁芯。
(3)设计实验数据记录表:
n1
n2
n3
n4
1
2
3
(4)输入、输出端电压的测量:
用交流电压表测量输入、输出电压。
(5)改变输入端电压,重新测量输入、输出端电压:
改变输入电压,输出电压也随之改变,但是两者的比值不变。
(6)对调原、副线圈,重新测量输入、输出端电压:
对调原、副线圈后,输出端电压发生变化,两者的比值为对调前的倒数。
(7)改变线圈匝数,重新测量输入、输出端电压:
改变线圈匝数后,输出电压随之变化,输入、输出电压的比值也随之变化。
(8)实验结果分析及结论得出:
在误差允许的范围内,变压器线圈两端的电压与匝数成正比,数学表达式为:
=。
[试身手]
1.理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1,下列说法中正确的是( )
A.穿过原、副线圈每一匝磁通量之比是10∶1
B.穿过原、副线圈每一匝磁通量的变化率相等,但穿过每匝线圈的磁通量并不相等
C.原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为10∶1
D.正常工作时,原、副线圈的输入、输出功率之比为1∶1
解析:
选D 对理想变压器,无磁通量损失,因而穿过两个线圈的磁通量相同,磁通量变化率相同,因而每匝线圈产生的感应电动势相等,才导致电压与匝数成正比,选项A、B、C错误;理想变压器可以忽略各种损耗,故输入功率等于输出功率,选项D正确。
理想变压器中的功率关系及电流关系
[探新知·基础练]
1.理想变压器的特点
(1)变压器铁芯内无漏磁;无发热损失。
(2)原、副线圈不计内阻,即无能量损失。
实际变压器(特别是大型变压器)一般可以看成理想变压器。
2.功率关系
P入=P出。
3.电流关系
由I1U1=I2U2,可得=。
[辨是非](对的划“√”,错的划“×”)
1.在理想变压器中原、副线圈的磁通量的变化率是一致的。
( )
2.理想变压器能提高功率。
( )
3.利用理想变压器可以提高电流。
( )
答案:
1.√ 2.× 3.√
[释疑难·对点练]
1.变压器的变压原理:
当原线圈加上交流电压U1时,原线圈中就有交变电流,它在铁芯中产生变化的磁通量,在原、副线圈中都要产生感应电动势。
如果副线圈是闭合的,则副线圈中将产生交变的感应电流,它也在铁芯中产生变化的磁通量,原、副线圈间虽然不相连,电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈。
2.能量转化:
变压器通过闭合铁芯,利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化。
3.根据理想变压器输入功率等于输出功率,即I1U1=I2U2,可得=,即通过原、副线圈的电流与原、副线圈的匝数成反比。
4.由功率关系,当只有一个副线圈时,I1U1=I2U2,得==,当有多个副线圈时,I1U1=I2U2+I3U3+…,得I1n1=I2n2+I3n3+…。
[试身手]
2.如图所示,一理想变压器原、副线圈的匝数比为1∶2,副线圈电路中接有灯泡,灯泡的额定电压为220V,额定功率为22W,原线圈电路中接有电压表和电流表。
现闭合开关,灯泡正常发光。
若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数,则( )
A.U=110V,I=0.2A
B.U=110V,I=0.05A
C.U=110V,I=0.2A
D.U=110V,I=0.2A
解析:
选A 在副线圈电路中,I2==0.1A,再根据=,及=,得U1=110V,I1=0.2A,故B、C、D错,A正确。
变压器工作时的制约关系及动态分析
[探新知·基础练]
1.电压制约
当变压器原、副线圈的匝数之比一定时,输出电压U2由输入电压决定,即U2=。
2.电流制约
当变压器原、副线圈的匝数之比一定,且输入电压U1确定时,原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定,即I1=。
3.负载制约
(1)变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定,P2=P负1+P负2+…。
(2)变压器副线圈中的电流I2由用户负载及电压U2确定,I2=。
(3)总功率P入=P线+P2,即变压器的输入功率是由输出功率决定的。
[辨是非](对的划“√”,错的划“×”)
1.对于理想变压器,无论有几个副线圈,输入功率和输出功率总是相等。
( )
2.理想变压器的输出功率决定输入功率,即输出端需要多大的功率,输入端就可提供多大的功率。
( )
3.对于理想变压器,=的成立是需要条件的。
( )
4.负载变化时,可能引起原线圈电压的变化。
( )
答案:
1.√ 2.√ 3.√ 4.×
[释疑难·对点练]
含有变压器的动态电路的分析方法
变压器的动态电路分析:
一是要符合变压器的基本规律(电压、电流、功率关系);二是要遵循欧姆定律。
首先确定是哪些量在变,哪些量不变,然后根据相应的规律判断,具体问题具体分析。
(1)原、副线圈匝数比不变,分析原、副线圈的电压U1、U2,电流I1、I2,输出和输入功率P2、P1随负载电阻变化而变化的情况。
将变压器接到交流电源上,原线圈的输入电压为U1,副线圈两端电压U2为定值,流过副线圈的电流I2随负载电阻的减小而增大,变压器输出功率P2(P2=I2U2)也随着增大,不计变压器损失的能量,则变压器输入功率P1(P1=P2)也增大,流过原线圈的电流I1也增大。
进行动态分析的顺序是U1→U2→I2→P2→P1→I1。
(2)负载不变,上述物理量随原线圈、副线圈匝数比的变化而变化的情况。
若原线圈输入电压U1和匝数n1不变,当副线圈匝数n2增大时,副线圈两端电压U2增大,流过副线圈的电流I2增大,变压器的输出功率P2(P2=I2U2)增大,则理想变压器的输入功率P1增大,流过原线圈的电流I1增大。
[试身手]
3.用理想变压器给负载电阻R供电,变压器输入电压一定时,在下列四个办法中,哪种可以使变压器输出功率增加( )
A.增加变压器原线圈匝数,而副线圈匝数及负载电阻R保持不变
B.减小负载电阻的阻值,而变压器原、副线圈匝数不变
C.增加负载电阻的阻值,而变压器原、副线圈匝数不变
D.减小变压器副线圈匝数,而原线圈匝数和负载电阻保持不变
解析:
选B 由=,当n1增加时,U2减小,P2=,P2减小,A错误;U1、n1、n2不变,则U2不变,R减小时,P2=,P2增大,B正确,C错误;当n1、U1不变,n2减小时,则U2减小,由P2=(R不变),P2会减小,D错误。
理想变压器的原理及基本规律
1.理想变压器原理:
电磁感应原理
2.基本规律
一原一副,P入=P出,=,=。
[典例1] 如图所示,理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2=4∶1,当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时,电流表A1的示数为12mA,则电流表A2的示数为( )
A.3mA B.0
C.48mAD.与负载R的值有关
[解析] 当导体棒做匀速直线运动切割磁感线时,在原线圈中产生恒定不变的电流,铁芯中产生的磁场是不变的,穿过副线圈的磁通量不变,不能在副线圈中产生感应电流,即A2的示数为0,B正确。
[答案] B
[典例2] 一理想变压器原、副线圈匝数之比n1∶n2=11∶5,原线圈与正弦交变电源连接,输入电压U如图所示。
副线圈仅接入一个10Ω的电阻,则( )
A.流过电阻的电流是20A
B.与电阻并联的电压表的示数是100V
C.经过1分钟电阻发出的热量是6×103J
D.变压器的输入功率是1×103W
[思路点拨]
[解析] 由电压的有效值和最大值的关系得U1==220V。
根据理想变压器电压与匝数的关系=,得U2=U1=×220V=100V,故电压表的示数是100V,B错误;I2==A=10A,A错误;1分钟内电阻发出的热量Q=I2Rt=102×10×60J=6×104J,C错误;变压器的输入功率等于输出功率,即P入=P出=U2I2=100×10W=1×103W,故D正确。
[答案] D
对于理想变压器来说,变压公式和输入功率等于输出功率是普遍适用的规律,对于有几个副线圈的理想变压器,变流公式就不能使用了。
理想变压器的动态变化
[典例3] 如图所示,理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡L1和L2,输电线的等效电阻为R。
开始时,开关S断开。
当开关S接通时,以下说法中不正确的是( )
A.副线圈两端M、N的输出电压减小
B.副线圈输电线等效电阻R上的电压增大
C.通过灯泡L1的电流减小
D.原线圈中的电流增大
[解析] 由于输入电压不变,所以当S接通时,理想变压器副线圈M、N两端输出电压不变。
并联灯泡L2,总电阻变小,由欧姆定律I2=知,流过R的电流增大,电阻上的电压UR=IR增大。
副线圈输出电流增大,根据输入功率等于输出功率I1U1=I2U2得,I2增大,原线圈输入电流I1也增大。
UMN不变,UR变大,所以UL1变小,流过灯泡L1的电流减小。
综上所述,应选A。
[答案] A
处理这类问题的关键是要分清变量与不变量,弄清理想变压器中各量间的联系和制约关系,在理想变压器中,U2由U1和匝数比决定;I2由U2和负载电阻决定,I1由I2和匝数比决定。
各种常见变压器
1.自耦变压器
图甲所示是自耦变压器的示意图。
这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈。
如果把整个线圈作原线圈,副线圈只取线圈的一部分,就可以降低电压;如果把线圈的一部分作原线圈,整个线圈作副线圈,就可以升高电压。
调压变压器就是一种自耦变压器,它的
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